[發明專利]基于小波平移不變閾值去噪的激光雷達波形數據處理方法

有效

• 申請號: 201410042447.5
• 申請日: 2014-01-28
• 公開（公告）號: CN103777191A
• 公開（公告）日: 2014-05-07
• 發明（設計）人: 李奇;周偉
• 申請（專利權）人: 李奇;中國科學院遙感與數字地球研究所;北京千尋百合科技發展有限公司
• 主分類號: G01S7/48
• 分類號: G01S7/48
• 代理公司: 北京瑞思知識產權代理事務所(普通合伙) 11341
• 代理人: 李濤

技術領域

本發明涉及機載激光雷達技術領域，尤其涉及一種基于小波平移不變閾值去噪的激光雷達波形數據處理方法。

背景技術

機載激光掃描是一個迅速成長的地形測繪技術。機載激光掃描大多數都重復對地球表面發射紅外脈沖，通過光學接收器檢測返回傳感器的一部分能量。由一個計時器來測量脈沖在激光傳感器與地球表面之間的往返時間，通過這個往返時間可以求得傳感器到地表的距離，加上經過集成的POS系統和大約2000萬～4000萬像素的數碼相機，使得該技術在一些使用傳統攝影測量方法進行地形測繪比較困難的地區，如植被覆蓋區、海岸帶、島礁地區等等，發揮著不可替代的作用。

第一個商業機載激光掃描儀只能記錄一個后向散射脈沖的時間。如果在激光光斑里只有一個目標那僅僅一個脈沖記錄是足夠的，在這種情況下返回脈沖可以簡單地說明地物。但是對小的激光光斑（0.2-2米）來說，在激光脈沖的傳播路徑里可能有若干地物產生各自的后向散射脈沖。已經有更加先進的激光掃描儀能夠記錄多次回波，一般的商業激光掃描儀可以記錄首次和末次回波，有些甚至可以記錄超過5次。但這種工作方式對用戶來說是無法獲得任何與有關設備本身相關的一些信息的，如如何根據回波信號定位，電子設備和地物結構對獲取的回波信號的形狀和大小有何影響，回波信號如何被量化成幾次離散脈沖信號等等。設備制造商往往將脈沖探測和量化方法作為商業機密而保密，另一方面，機載激光雷達的光斑設計得越來越小，這樣每束激光產生多次回波的數量也進一步增加，這對脈沖探測和量化方法提出了更大的挑戰。曾有文獻指出，探測和量化方法不同，可以引起成果的誤差。

解決上述問題的途徑是將發射信號和回波信號均以很小的采樣間隔進行采樣并記錄，而不僅僅是記錄若干次離散的回波信號。這樣的采樣記錄方式即所謂的全波形數字化記錄，這種類型的激光雷達系統稱為waveform-digitizing?LIDAR。事實上早在上世紀90年代，NASA開發的一些機載激光雷達系統已經具備這個能力，比如SLICER（Scanning?Lidar?Imager?of?Canopies?by?Echo?Recover）和LVIS（Laser?Vegetation?Imaging?Sensor）。還有一些星載激光雷達系統如GLAS也具有全波形記錄能力。不過這些都是非商業系統。作為商業用途，該技術在2004年才被奧地利的RIEGL公司所采用，其開發出的LiteMapper-5600系統在農業和森林應用優勢明顯,目前商業化的機載激光雷達系統如Toposys?FalconIII、Leica?ALS-II、Optech?ALTM?3100E等，均配有全波形數字化儀。與硬件發展相比，波形數據的分析和處理方法的研究卻相對滯后。這一方面是由于波形數據尚未真正普及，另一方面由于波形數據的分析與具體應用關系密切，分析方法要面向應用。

發明內容

有鑒于此，本發明提供了一種基于小波平移不變閾值去噪的激光雷達波形數據處理方法，本方法在小波變換去除噪音的基礎上，根據激光雷達波形數據符合高斯分布的特征，利用改進的EM（Expectation-Maximization）算法高斯分解激光雷達波形數據，生產出高質量的點云數據并得到森林參數。

本發明提供的一種基于小波平移不變閾值去噪的激光雷達波形數據處理方法，包括：

步驟1：獲取激光雷達的波形數據X(n)，n=0,1,2…N-1；

步驟2：采用小波變換濾波對波形數據X(n)進行分解，得到：

其中，為尺度函數、Ψ_j,k為小波函數、ρ_T為硬取閾值函數或軟取閾值函數；

步驟3：在信號急劇變化部分，對分解后的波形數據進行平移不變估計：

在相反方向對循環平移小波，得到：